Day - 5

Liquefied Gas Handling Procedures Fourth Edition, Chapter - II Notes
Atoms, Molecules and Chemical Bonds

Tüm madde atomlardan oluşur. Atomlar; proton, nötron ve elektronlardan meydana gelir. Protonlar pozitif, elektronlar negatif yüklüdür; nötronların yükü yoktur. Proton ve nötronlar çekirdeği oluşturur, elektronlar ise çekirdek etrafında döner. Proton ve nötronların kütlesi birbirine eşittir ve 1 atomik kütle birimi olarak kabul edilir. Elektronların kütlesi ihmal edilecek kadar küçüktür.

Her atom elektriksel denge için eşit sayıda proton ve elektrona sahiptir; çekirdekteki nötron sayısı ise kararlılığı sağlar. Elementler, atomlarındaki proton (ve elektron) sayısına göre birbirinden ayrılır. Hidrojen 1 proton ve 1 elektrona sahiptir, helyum ise 2 proton, 2 elektron ve 2 nötrondan oluşur.

Elementler artan atomik kütleye göre sıralandığında benzer özellikler gösterenler “aileler” şeklinde gruplanır. Bu düzen “Periyodik Tablo” olarak adlandırılır. Bu metin, sıvılaştırılmış gazlara odaklandığı için diğer elementlerin kimyası ayrıntılı olarak ele alınmamıştır.

Pasted image 20251102123606.png

The most common elements that will be encountered in the liquefied gas industry

Pasted image 20251102123713.png

Isotope Atoms

Birçok elementin atomları, çekirdeğinde farklı sayıda nötron bulundurabilir ancak aynı sayıda proton ve elektrona sahip olabilir. Bunlara “izotop” denir ve atomik kütleleriyle anılırlar. Örneğin, 2 fazladan nötrona sahip bir karbon izotopu olan karbon-14 vardır; ancak karbon-12 en yaygın izotoptur.

Bir elementin farklı izotoplar içerebilmesi, atomik kütlesinin tam sayı olmamasına yol açabilir. Örneğin, klorun atomik kütlesi 35,5’tir çünkü her 4 atomdan 3’ü 35 kütlesine sahipken, geri kalanlar çekirdekte 2 fazladan nötron bulunması nedeniyle 37 kütlesine sahiptir.

Compounds, Molecules Etc.

Farklı türde atomlar bileşikler oluşturmak üzere bir araya geldiklerinde, etkileşime giren ve bağ oluşturan parçacıklar elektronlardır. Bu bağlar, bileşiği oluşturan en küçük yapı taşları olan molekülleri meydana getirir. Her molekül, o maddenin tüm kimyasal özelliklerini gösteren en küçük parçadır.

Atomlar bir araya geldiğinde, bağ bu atomlar arasında paylaşılan elektronlar tarafından oluşturulur. Her atomun oluşturabileceği bağ sayısı ve türü, mevcut elektron sayısına ve atomik yapının diğer özelliklerine bağlıdır. Atom çekirdekleri, yani protonlar ve nötronlar, kimyasal bağlanmaya katılmazlar.

Bağlanmaya uygun elektron sayısının, atomdaki toplam elektron sayısı ile aynı olmadığı anlaşılmalıdır. Karbon iyi ve ilgili bir örnektir; atom numarası 6 olan karbonun 6 bağ yapabileceği düşünülebilir, ancak gerçekte sadece dış kabuktaki 4 elektron (valans kabuğu olarak bilinir) bağlanmaya uygundur.

Carbon, Hydrocarbons

Karbon, farklı sıcaklık ve basınç koşullarında oluşan çeşitli bileşikleri oluşturabildiği için en ilginç elementlerden biridir. Kömür, grafit ve elmas, neredeyse tamamen karbondan oluşan farklı maddelere örnektir.

Tüm yaşam biçimleri, karbonun uzun molekül zincirleri oluşturabilme özelliğine dayanır ve karbon temelli moleküllerin incelenmesi “organik kimya” olarak bilinir. Özellikle karbon, diğer karbon atomlarıyla ve hidrojen atomlarıyla çok güçlü bağlar kurar.

Bir molekül oluşturulduğunda, basit bir kimyasal formül farklı atomlar arasındaki oranı gösterir; buna moleküler formül denir.

Sıvılaştırılmış gaz endüstrisi açısından en önemli moleküller, karbon ve hidrojen atomlarının birleşmesiyle oluşanlardır. Bunlara “hidrokarbonlar” denir.

Hidrokarbon Serisi

Her karbon atomu dört bağ oluşturabilir. Karbon ve hidrojenin en basit bileşiği, formülü CH₄ olan metandır. Bu, karbon atomunun dört “kancası”nın (elektronunun) her birinin bir hidrojen atomuna bağlı olduğu anlamına gelir. Metan molekülünde karbon ve hidrojen atomları arasındaki bağlar çok güçlüdür, bu nedenle bu bileşik oldukça kararlıdır. Bu kararlılık, molekülün çoğu basınç ve sıcaklık koşulunda aynı şekilde kalacağı anlamına gelir. Molekül, köşelere doğru yönelmiş bağlarıyla piramit şeklindedir.

Pasted image 20251102124806.png

Ethane

Carbon can form long molecular chains with itself, and the next compound of carbon, which also occurs naturally, contains 2 carbon atoms and 6 hydrogen atoms. This gas, called ethane, is represented by the molecular formula C₂H₆.

Karbon kendiyle uzun moleküler zincirler oluşturabilir ve karbonun bir sonraki bileşiği, doğada da bulunan, 2 karbon ve 6 hidrojen atomu içerir. Etan adı verilen bu gaz, C₂H₆ moleküler formülüyle gösterilir.

Pasted image 20251102125112.png

Propane

Hidrokarbon serisindeki bir sonraki gaz olan propan, birbirine zincir şeklinde bağlanmış 3 karbon atomu içerir ve kalan bağlar hidrojen atomlarıyla tamamlanmıştır. Propan, C₃H₈ moleküler formülüyle gösterilir.

Pasted image 20251102130934.png

Hidrokarbon zincirindeki her karbon atomu, genellikle iki hidrojenle bağ kurar. Zincirin uçlarındaki karbonlar ise üçer hidrojenle bağ yapar. Bu nedenle basit hidrokarbonların genel formülü CₙH₂ₙ₊₂ şeklindedir.
Bütan ve İzomerleri

Serinin dördüncü üyesi olan C₄H₁₀ bütandır. Bütan, propan molekülüne bir karbon ve iki hidrojen eklenmesiyle oluşur.
İki farklı yapıda bulunabilir:

  • n-bütan (normal bütan): Düz zincir yapılı.

  • i-bütan (izobütan): Dallanmış zincir yapılı.

Bu iki yapı izomer olarak adlandırılır. Kimyasal özellikleri benzerdir, ancak fiziksel özellikleri —özellikle buharlaşma sıcaklıkları— farklıdır. Ticari bütan genellikle %65 n-bütan ve %35 i-bütan karışımıdır.

Pasted image 20251102132601.png

Karbon Sayısına Göre Hâl Değişimi
  • C₁–C₄: Normal sıcaklık ve basınçta gaz hâlindedir.

  • C₅–C₂₀: Sıvı hâlindedir.

  • C₂₀ ve üzeri: Katı hâlindedir.

Örneğin pentan (C₅H₁₂) uçucu bir sıvıdır ve sıcak bölgelerde sıvılaştırılmış gaz taşıyıcılarında taşınabilir.

Bağ Türleri

Karbon atomları:

  • Tek bağ (C–C)

  • Çift bağ (C=C)

  • Üçlü bağ (C≡C) oluşturabilir.

Çift ve üçlü bağlar daha kısa, daha reaktif ve daha az kararlıdır.

Fonksiyonel Gruplar
  • Hidroksil grubu (–OH): Oksijen ve hidrojenin birleşimiyle oluşur. Hidrokarbonlara bağlandığında alkolleri (ör. metanol, etanol) oluşturur.
  • Sülfür bileşikleri: Örneğin etil merkaptan (CH₃CH₂SH) güçlü kokuludur ve gazlara koku vermek (ör. LPG’de) için kullanılır. Ancak sülfür, bakırla reaksiyona girdiği için LPG yüklerinde sülfür miktarı sınırlıdır.
IUPAC Sistemi

Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC), organik bileşiklerin yapısını açık ve net şekilde gösterecek sistematik bir isimlendirme yöntemi geliştirmiştir.

Temel Zincir ve Numaralandırma

İsimlendirme, yapıda yer alan ana karbon zincirinin belirlenmesiyle başlar. Zincirdeki tek ve çift bağlar, yan zincirler ve fonksiyonel gruplar (örneğin –OH) tanımlanır.
Ana zincirdeki karbonlar, fonksiyonel gruba veya çoklu bağa en yakın olan karbondan başlayarak numaralandırılır. Bu numaralandırma, yalnızca asimetrik moleküller için önemlidir.

Normal ve İzomer Yapılar

Karbon sayısı fazla olan moleküllerde, dallanmış yapılar “iso”, düz zincir yapılar ise “normal (n-)” olarak adlandırılır.
Sıvılaştırılmış gaz endüstrisinde bu fark, genellikle 4 veya daha fazla karbon atomu içeren moleküller (örneğin bütan ve izobütan) için önemlidir.

Endüstriyel ve IUPAC İsimleri

Bazı bileşiklerin resmî IUPAC isimleri uzun veya karışık olabilir. Bu nedenle endüstride yaygın isimler tercih edilir.
Örneğin, C₃H₆ için IUPAC adı propene iken, endüstride propylene daha sık kullanılır. Bu, propene’in propane (C₃H₈) ile karıştırılmaması için tercih edilir.

Eş Anlamlılar (Synonyms)

Aynı bileşik için farklı isimler kullanılabilir. Bu tür alternatif isimler “eş anlamlı” (synonym) olarak adlandırılır. Molekül ne kadar karmaşık olursa, eş anlamlı isim sayısı da o kadar fazla olur.

Doymuş ve Doymamış Hidrokarbonlar

Yalnızca tekli bağ içeren moleküller doymuş (saturated),
bir veya daha fazla çift bağ içerenler doymamış (unsaturated) olarak adlandırılır.

Pasted image 20251102140301.png

Kullanım Alanları
  • Doymuş hidrokarbonlar (“–ane” ile biter): genellikle yakıt olarak kullanılır.
  • Doymamış hidrokarbonlar (“–ene” ile biter): petrokimya hammaddesi olarak kullanılır.
Temel Örnekler ve Formüller

Karbon atomları arasında tekli, çiftli veya üçlü bağlar bulunabilir.
En basit örnekler:

  • Etan (C₂H₆) → tek bağ
  • Etilen (C₂H₄) → çift bağ
  • Asetilen (C₂H₂) → üçlü bağ

Genel formüller:

  • Doymuş hidrokarbonlar: CₙH₂ₙ₊₂ (örnek: metan, etan, propan, bütan)
  • Doymamış hidrokarbonlar: CₙH₂ₙ (örnek: etilen, propilen, bütilen)
Üçlü Bağ İçeren Hidrokarbonlar

Hydrocarbons containing triple bonds are generally too reactive for transportation as liquids, but one common cargo that contains two double bonds is butadiene (C₄H₆)

Üçlü bağ içeren hidrokarbonlar (örneğin asetilen türevleri) yüksek reaktiviteye sahiptir. Bu nedenle genellikle sıvı halde taşınmazlar. Ancak iki çift bağ içeren bütadien (C₄H₆), sıvılaştırılabilir ve petrokimya endüstrisinde yaygın olarak taşınır.

Bütadien ve Bütilen Arasındaki Fark
  • Bütilen (C₄H₈): Tek bir çift bağ içerir → doymamış hidrokarbon (alken)
  • Bütadien (C₄H₆): İki çift bağ içerir → diyen (çift bağ içeren alken)
İzomerlik: Normal, İzobütan ve 2-Metilpropan
  • n-Bütan (normal): Düz zincirli yapı
  • İzobütan (2-metilpropan): Dallanmış yapı

IUPAC sisteminde izobütan, yapısına göre 2-metilpropan olarak adlandırılır.

Tek ve Çift Bağların Dönme Özelliği
  • Tek bağ (σ bağı): Atomlar bu bağ etrafında serbestçe dönebilir.
  • Çift bağ (π bağı): Dönmeyi engeller.

Bu özellik, molekülün iki tarafında farklı uzaysal düzenler oluşmasına neden olur.

Bütadien’in Yapısal Farkları
  • 1,2-bütadien: Çift bağlar bitişik
  • 1,3-bütadien: Çift bağlar ayrık (arada bir tek bağ bulunur)

Bu fark, molekülün stabilitesini değiştirir.
1,3-bütadien daha kararlıdır ve sentetik kauçuk üretiminde kullanılır.

Pasted image 20251102140903.png

Butadienin Üretimi ve Taşınması

Butadien, bütan ve bütilenin tekrarlı işlenmesiyle üretilir.
Bazen bu madde, bütan, bütilen ve butadien karışımı hâlinde, yarı işlenmiş ürün olarak taşınır.

Ticari Karışımların İsimleri
Bu tür karışımlar genellikle şu ticari adlarla bilinir:

  • Mixed C₄s
  • Crude C₄
  • C₄ Raffinate

Ancak bu isimlerle satılan yükler, bileşim açısından farklı oranlarda ana maddeler içerebilir.

Güvenlik ve IGC Kod Gereklilikleri
IGC Koduna göre, bu tür karışımlar yüklenmeden önce gemi kaptanına tam güvenlik bilgisi verilmelidir.
Karışımların içinde yer alan butadien, hem toksik hem de reaktif olduğu için en büyük risk faktörüdür.

Yük Elleçleme Tavsiyesi
Butadien içeriği hakkında şüphe varsa, karışım saf butadien gibi ele alınmalıdır.
Ancak bu tür durumlarda her zaman uzman görüşü alınması önerilir.

C₅ Hidrokarbon Yükleri
  • Pentane ve pentene, 5 karbon atomu içeren bileşiklerdir.
  • Serin ortamlarda sıvı, sıcak ortamlarda ise yüksek buhar basıncına sahiptirler.
  • Bu nedenle gaz tankerlerinde taşınabilirler.
  • Genellikle izomer karışımı hâlinde taşınırlar.
İzopren (C₅H₈)
  • Ticarette görülen diğer C₅ yükü izoprendir (2 veya 3-metil-1,3-bütadien).
  • Butadien türevlerinden elde edilir.
  • Sentetik kauçuk üretiminde kullanılır.
Reaktivite ve İnhibitör Gereksinimi
  • Doymuş hidrokarbonlar kimyasal olarak daha az reaktiftir.
  • Doymamış hidrokarbonlar ise yüksek reaktiviteye sahiptir.
  • Bu nedenle, taşınma sırasında kendiliğinden tepkimeyi önlemek için inhibitör maddeler eklenebilir.
Common Name IUPAC Name Chemical Formula Synonyms
Methane Methane CH₄ Fire damp, marsh gas, natural gas, LNG
Ethane Ethane C₂H₆ Bimethyl, dimethyl, methyl methane
Propane Propane C₃H₈ LPG
n-Butane Butane C₄H₁₀ Normal-butane, LPG
i-Butane 2-Methyl propane C₄H₁₀ Iso-butane, 2-methylpropane, LPG
Ethylene Ethene C₂H₄ Ethene
Propylene Propene C₃H₆ Propene
α-Butylene But-1-ene C₄H₈ Ethyl ethylene
β-Butylene But-2-ene C₄H₈ But-2-ene, dimethyl ethylene, pseudo butylene
γ-Butylene 2-Methyl-prop-2-ene C₄H₈ Isobutene
Butadiene 1,3-Butadiene C₄H₆ b.d., bivinyl, butadiene-1,3, divinyl, biethylene, erythrene, vinyl ethylene
Isoprene 2-Methyl-1,3-butadiene C₅H₈ 3-methyl-1,3-butadiene, 2-methylbutadiene-1,3
Vinyl Chloride Chloro-ethene C₂H₃Cl Chloroethylene, VCM, vinyl chloride monomer
Ethylene Oxide Oxirane C₂H₄O Dimethylene oxide, EO, 1,2-epoxyethane, epoxythane, oxacyclopropane
Propylene Oxide 1,2-Epoxypropane C₃H₆O Epoxy propane, methyl oxirane, propene oxide, propylene epoxide, PO, propOx
Ammonia Ammonia NH₃ Anhydrous ammonia, liquid ammonia
Hydrogen Molecular hydrogen H₂ None